„UNIVERSITA 3. VĚKU – U3V: 2008 - 2009“
CHEMIE & ŽIVÝ ORGANISMUS
BIOLOGICKY AKTIVNÍ LÁTKA A JEJÍ INTERAKCE S ŽIVÝM ORGANISMEM
Doc. Ing. Petr Kačer Ph.D.
Ústav Organické Technologie Fakulta Chemické Technologie
BIOLOGICKÝ SYSTÉM
BIOLOGICKY AKTIVNÍ LÁTKA
č. dv. 77 případně 79 (budova A)
E-mail:
[email protected] Tel:
220 444 156
XENOBIOTIKUM, LÉČIVA,
VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO TECHNOLOGICKÁ PRAHA
VONNÉ LÁTKY …
FARMAKOLOGIE
FARMAKOLOGIE FARMAKOLOGIE na Ústavu organické technologie?
Definice:
•
Vývoj technologií z oblasti chemických specialit – farmak.
•
Vývoj stereoselektivních katalytických procesů (katalyzátorů)
•
Vývoj nových nosičů pro BNCT (Boron Neutron Capture Therapy)
•
Farmakokinetické studie
•
Vývoj diagnostických metod – včasná diagnostika patologických procesů
•
Vývoj separačních procesů – analytických metod s cílem strukturní identifikace kontaminantů – hmotnostnÍ spektrometrie v kombinaci s vhodnou separační metodou (plynová chromatografie, kapalinová chromatografie)
Farmakologie je věda studující interakce (vzájemné působení) léčiv a biologických systémů.
•
Vývoj technologií z oblasti chemických specialit – farmak.
WO patent na výrobní postup CYTOSTATIKA „OXALIPLATINy“ společně s ICN Ltd. CYTOSTATIKA: látky zpomalující příp. zastavující růst buněk či způsobující jejich de O NH2 O Pt NH2
O
O
Ideální protinádorová látka zničí nádorovou buňku aniž by poškodila buňky normální – IDEÁLNÍ STAV
•
Schéma patentovaného výrobního postupu: NH2
+
OXALIPLATINA – skupina alkylačních cytostatik Pojem „CIVILIZAČNÍ ONEMOCNĚNÍ“ versus „Pokroky vědy“
NH2 K2PtCl4
Cl
NH2
+
AgNO3
Cl
NH2
OH2
NH2
OH2
NH2
NH2
NH2
OH2
NH2
Pt
V roce 2004 : zemřelo na nádorová onemocnění 2,2 x více lidí než ve 2.světové válce Marketing ICN: Za 5 let se 2 x zvýší výskyt kolonorektálních karcinomú a spotřeba oxaliplatiny
Bez „vícejaderných“ komplexů
OH2 Pt
NH2
NH2
Cl
NH2
Pt
Poč. 20 století přežilo méně než 10 % lidí diagnostikované nádorové onemocnění Dnes přežívá – „vyléčí se“ – více než 50 %
Cl Pt
NH2
NH2
OXALIPLATINA
Vývoj technologií z oblasti chemických specialit – farmak.
OH
NOVÝ KROK
Pt
OH
HO
OH
+
O
Pt
OH
NH2
O
O
O
O
Pt O
OH
NH2
OXALIPLATINA
Výtěžek > 90 % Čistota – bez Ag+
1
•
Vývoj technologií z oblasti chemických specialit – farmak.
• Vývoj stereoselektivních katalytických procesů (katalyzátorů)
WO patent na výrobní postup CYTOSTATIKA „OXALIPLATINy“ společně s ICN Ltd. Problém č.1: Přítomnost Ag+ NH2
O
O
NH2
O
O
CHIRALITA • Stejná konstituce, stejné relativní rozložení jednotlivých atomů • Stejné fyzikální a chemické vlastnosti v achirálním prostředí s výjimkou stáčení roviny polarizovaného světla (+) a (-). • Vzájemný vztah jako vzor a obraz • Možnost zcela odlišné interakce s biologickým systémem receptorem, enzymem (vždy chirální)
A/ nerozpustná sůl Ag – separace
Pt
IONTOMĚNIČ
OXALIPLATINA
Problém č.2:
B/ tvorba polyjaderných komlexů
Problém č.3:
Množství polyjaderných komplexú
O
O
N
N H
Smáčivost „dichlorokomplexu
O O
Přídavek MTBE a intenzivní míchání
H
N H
O
N H
O
(R)-thalidoimid
Potlačení makrokinetických parametrů 0
7
Výtěžek 40 % 60 % odpad po 5 stupňové syntéze Cíl:
CHIRAL SWITCH
MALIGNÍ GLIOBLASTOM
OMe
MeO MeO
HOOC H O (S)-N-ftalylaparagová kyselina
(S)-thalidoimid
(Neutron Capture Therapy)
OMe
O N
•Vývoj nových nosičů pro BNCT (Boron Neutron Capture Therapy)
Stereoselektivní hydrogenace prekursorů HIV virostatik
stereoselektivní separace racemické směsi
HOOC O O
CONTERGAN
14
• Vývoj stereoselektivních katalytických procesů (katalyzátorů)
Současný stav:
TERATOGEN
1 milion obyvatel - 60 případů
MeO N MeO
MeO
MeO
MeO
MeO
N
Princip :
Kombinovaná léčba: n0
n0
60 dní přežívá 1% pacientů BNCT
„Heterogenizace“ Komplex
Komplex
Spacer
5 let přežívá 50 % pacientů
n0 pomalý neutron s nízkou energií (neionizuje tkáne) n0 neutron vysokou energií - destrukce nejbližší bunky
10 let přežívá 30 % pacientů
Nosič
•Vývoj nových nosičů pro BNCT (Boron Neutron Capture Therapy)
(Boron Neutron Capture Therapy) „BPA“
3. Generace látek pro BNCT Látky selektivně vychytávány n. buňkou
Ve fázi klinického testování
COOH
Využití antigenů, jako nosičů bóru, HO BPA batch: 00107004 date: Jan 25, 2005 Pulse Sequence: s2pul
1H
Antiandrogeny – látky působící proti účinku mužských pohlavních hormonů
Výráběno podle GMP
Analytická kontrola čistoty ÚOT B
Koncentrace Fluoridilu v krevní plazmě
Skupina 100 pacientů po aplikaci Fluoridilu
NH2
10
• Farmakokinetické studie
OH
NMR
10B
BPA b a tc h : 0010 7004 d a te: Fe b 1 , 2005 1 0B NM R Pulse Se q ue nc e: s2p ul
NMR
protože jsou dnes k dispozici
Skupina 100 pacientů po podaném placebu koncentrace
KINETIKA
Složení krve
monoklonární protilátky proti antigenům
Plazma
různých linií nádorových buněk.
Bílé krvinky Červené krvinky
7.5
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
ppm
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
ppm
čas
2
Medicinální diagnostika a hmotnostní spektrometrie
Hmotnostní spektrometrie
Medicinální diagnostika:
Hmotnostní spektrometrie:
- „Klasické“ biochemické metody - Metody zobrazovací - HPLC, GC/MS
- Kvalitativní a kvantitativní metoda - Citlivost – detekční limit (fmol/μl) - Hmotnostní rozsah (400 000 Da) Medicína
HPLC/MS
Kvalitativní info Kvantitativní info VSTUP DO PŘÍSTROJE
IONIZACE
SEPARÁTOR IONTŮ
DETEKTOR
IDENTIFIKACE LÁTEK
METODA PRO MEDICINÁLNÍ DIAGNOSTIKU Hmotnostní spektrometrie počet přístrojů v různých odvětvích: 2005
Biochemie
Biochemie
2010
Chemie
VAKUOVÝ SYSTÉM
Chemie
Fyzika
Medicína
HMOTOVÉ SPEKTRUM
Fyzika
Separační techniky pro MS
• Vývoj diagnostických metod – včasná diagnostika patologickýh procesů Přítomnosti Staphyloccodových enterotoxinů v komplexních matricích
GC/MS Plyny, těkavé látky
Princip: Magnetická separace z koplexních směsí
HPLC/MS Neodpařitelné látky
Imunoseparace (např. detekce SEB v k. matrici)
Magnetické částice: regulace tlaku
nástřik vzorku
Fe3O4 pokryté vrstvou polymeru
dávkovač vzorku pomocí ventilů
zásobník mobilní fáze
regulace průtoku
Funkcionalizace pro navázání protilátky
kolona pro HPLC
kolona pro plynovou chromatografii
manometr vstup do MS
tlumič tlakových nárazů
čerpadlo termostat filtr
vstup do MS
• Vývoj diagnostických metod – včasná diagnostika patologických procesů
Detekce:
Hmotnostní spektrometrie Netermické převedení molekuly (makromolekuly) do g-fáze Ionizace (MALDI, ESI, APCI) Immunoseparace: Určení molekulové hmotnosti Citlivost (1fmol/ml) Selektivita
• Vývoj metodiky pro neinvasivní diagnostiku Asthma Bronchialae
Opakované epizodické stavy dušnosti způsobené bronchokonstrikcí na základě zánětu dýchacích cest Civilizační onemocnění – rostoucí počet případů – snižující se věk první incidence (2-3 roky života) Obtížná diagnostika – opakované vyvolávání „umělého astmatického záchvatu“ – pro atmatického pacienta stresující
MALDI Magnetická separace:
Analýza dechového kondenzátu DECHOVÉ OBTÍŽE
INVAZIVNÍ VYŠETŘENÍ SPRÁVNÁ DIAGNÓZA
DIAGNOSTIKA
TERAPIE
HPLC/MS
3
HPLC/MS Leukotrienů a 8-isoprostanu
„Dechový kondenzát“ • Kondenzát aerosolových částic obsažených ve vydechovaném vzduchu • Složení „Dechového kondenzátu“ odráží složení bronchoalveolární extracelulární plicní tekutiny, které koresponduje s ději odehrávajícími se v plicích Leukotrieny:
• Složení „Dechového kondenzátu“:
OH
- Plynná fáze - těkavé látky (CO, NO) - Kapalná fáze – vodní fáze, H2O2 a netěkavé látky (eikosanoidy – MARKERY zánětlivé reakce)
OH
LEUKOTRIENY: Fyziologická hladina:
1-10 pg/μl
Patologická úroveň:
25-100 pg/μl
B4
COOH
LTD4
8-ISOPROSTAN:
NH2 HOOC
LTC4
O NH
ZAŘÍZENÍ K ZÍSKÁNÍ „DECHOVÉHO KONDENZÁTU“:
LTE4
O
H N
S
OH
O
C4
COOH OH NH2
S
Fyziologická hladina:
10 -50 pg/μl
Patologická úroveň:
> 100 pg/μl
O
H N
8-isoprostan
OH
D4
O COOH
MEZ DETEKCE: 0,05 pg/μl
OH
NH2 COOH S
E4
COOH
MEZ KVANTIKIKACE: 0,1 pg/μl
OH
„Inborn Errors“
Vývoj separačních procesů – analytických metod s cílem strukturní
Diagnostika metabolických a farmakogenetických poruch
identifikace kontaminantů
Farmakogenetická porucha se nedemonstruje do té doby dokud není podána látka na, kterou daný jedinec reaguje odlišně
Iohexol OH O
I
I
Metabolická porucha se projeví vždy (je-li) dostatečně intensivní
OH HO
Idiosynkrasie - nepřiměřené nežádoucí účinky
H3C
HPLC/MS stanovené plazmatické hladiny látky nebo enzymu, která demonstruje příslušnou abnormalitu
I
O
Některé nečistoty toxické
OH N
N
Identifikace nečistot s obsahem > 0.2 %
OH
N
OH
O
Kombinace metod:
Vliv na prodejnost daného produktu
preparativní HPLC HPLC/MS
Incidence cca 1 : 10 000 nebo větší
NMR
V jediné HPLC/MS analýze možné stanovit až 200 „markerů“ inborn errors
Syntéza potenciálních nečistot
Identifikované nečistoty – metoda v Eur. Pharmacopeia
FARMAKOLOGIE IOHEXOL impuritiea according to EP2005
OH
H N
O
OH
I
I
I
O C16H20I3N 3O7 747.06
OH
H N
HN O
O
H N
O
OH
OH
I
I
H2 N I
I
C 14H 18I3N 3O6 705.02
OH
H N
OH
O
A. "NA-ATIBA-A"
O
OH
H N
HO
OH
O
C21H28I3N3O10 863.18
I
I
OH
H N
N
OH
HO HO
C21H28I3N3O10 863.18
I
OH
H N
OH
O
I
O
O. "3-O-acetyl"
N. "2-O-acetyl"
OH
O
N
O
I
O
HO
J. "ATIBA-A"
O
OH
H N
O
HO
OH
H N
O
OH O
I
O
I
I
O
HO
H N I
O
C14H19I2N3O6 579.13
O
I
OH OH
HO
O
OH
H N
N
HO
I
O
C22H32I3N3O11 895.22
HN
OH
I
O
O
O
OH C 22H 32I3N3O11 895.22
HO
N
HO
I
O
OH
C19 H27 I2N3O9 695.24
OH
O
HO
OH
O
Farmakologie je věda studující interakce (vzájemné působení) léčiv a
OH
H N
I N H
OH
C17 H25 I2N3O8 653.20
biologických systémů.
OH
O
I
HO
M. "diiodo N-alkyl amine"
H. "diiodo Iohexol"
C. "5-N-O-alkyl"
C16H21I2N3O7 621.16
OH
H N
O
OH
H N
I
OH
G. "NA-ADIBA-A"
OH
H N
O
OH I
OH
H N
I
OH
F. "ADIBA-A"
OH
H N
O I
OH
O
H N
Definice:
OH
H N
O OH
I H2 N
OH
OH
OH
H N
O
OH
Q. "diacetyl - 2 -O-alkyl"
I
N
O
I
C 21H 28I3N3O10 863.18
OH
H N
OH
H N
O
OH I
O
"diacetyl - 3 -O-alkyl"
I
O
I N
O
P.
HO
O
C21H28I3N3O10 863.18
OH
H N
O
OH
OH
H N
N
B. "5-N- O-alkyl"
Poznámka: Farmakologii je nutné odlišit od farmacie, která se zabývá farmaky
OH HO
I HO HO
OH
H N
O
H N
N O
I
OH O
I
OH
OH
O
I HO HO
D. "3-O-alkyl"
O
H N
O
OH C22H32I3N 3O11 895.22
H N
N O
I
O
E. "2-O-alkyl"
R
O
OH C 22H 32I3N3O11 895.22
I
OH
OH
I
5-ATPA 5-ATIPA dichloride R
H2N I
HO
O
OH I H N
N H
O
K. R= ---OH L. R= ---Cl
OH
H N
O I
I I.
OH
C17 H23 I2N3O8 651.19
především po stránce chemické a technologické.
OH
O "benzoxazine"
page 1
page 2
4
1. ETAPA – „etapa přírodních léčiv“
Historické milníky na cestě k moderní farmakologii
Léčiva z přírodních zdrojů („lidové léčitelství“) …. …. Průmyslově vyráběná chemoterapeutika definovaného složení a účinku Cílený farmaceutický výzkum
Empirický přístup „metoda pokus – omyl“ Výsledkem této etapy – obrovské množství poznatků o účincích přírodních látek na lidský organismus (nejen účinky léčivé). Psychotropní účinky opia. Psychostimolační účinky koky aj.
1. ETAPA – etapa přírodních léčiv empirický přístup „metoda pokus – omyl“ Výsledkem této etapy – obrovské množství poznatků o účincích přírodních látek na lidský organismus (nejen účinky léčivé). Psychotropní účinky opia. Psychostimolační účinky koky aj.
• Císař Šen-nung (2 700 př. n. l.) nejstarší systematická studie o bylinné medicíně Šen-nungův herbář – možnosti lékařského využití 365 drog Rod Ephedra – léčba onemocnění dolních cest dýchacích Ricinus communis, Papaver somniferum
1. ETAPA – „etapa přírodních léčiv“
• „Asyrské dědictví“ 660 hliněných destiček zaznamenávajících 1500 let bylinné medicíny
1. ETAPA – „etapa přírodních léčiv“
Avicenna (930 – 1036) – „Kánon medicíny“
• „Ebersův papyrus“ 1500 př. n.l. Archeolog Georg Ebers (1862) informace o farmacii a chirurgii ve starověkém Egyptě (800 léčebných metod)
Ibn al-Baitar „Corpus simplex“ (1 400 léků a léčivých bylin)
•Hippokrates (460 – 380 př. n. l.) „přikládá stejný význam diagnostice jako terapii“
Klášterní medicína: „De viribus herbarum“ Od biskup z Magdeburku „Antidotarium“ Nicolaus ze Salerna „Liber propietaribus rerum“ Bartholomeus Anglica
„Leechbook of Bald“ (900 – 950) doba Alfréda Velikého
•Theofrastus (370 - 285 př. n. l.) – Historia plantarum
William Turner „New Herball“ • Plinius, Celsus („De medicina“), (512) Kodex Juliana Anicia • Galenos (129 – 199) – provedl řadu anatomických a fyziologických experimentů
„FARMAKOLOGIE“ - počátek
DÁVKA – léčivo nebo jed?
„Chceme-li správně vyložit každý jed,
DEFINICE:
copak tedy není jedem? Všechny věci
Jako jed tedy označujeme látku, která vpravena do organismu nebo na organismus v relativně malém množství a působící chemicky nebo fyzikálně-chemicky, je sto
jsou jed a nic není bez jedu, pouze
vážně poškodit organismus nebo přivodit dokonce i smrt.
dávka rozhoduje, že věc není jedem“
NaCl
Základní axiom farmakologie
„ Pouze dávka rozhoduje, je-li látka jedem “
Aureolus Philippus Theoprastus Bombastus von Hohenheim Paracelsus (1493-1541)
LD95
= 2.5 g.kg-1 => 200 g / člověk
Destilovaná voda LD95
= 150 g.kg-1 => = 11 l / člověk
Botulotoxin
LD95 = 300 pg.kg-1 =>
(100 g ideálně rozdávkovaných by spolehlivě stačilo k vyhubení celého lidstva)
BOTULOTOXN
5
2. ETAPA – „ Léčení jednoduchými směsmi chem. sloučenin případně chemickými individuii“
2. ETAPA – „ Léčení jednoduchými směsmi chem. sloučenin případně chemickými individuii“
Karl Wilhelm Scheele (1742 - 1786) Izolace glycerolu, k. benzoové, kyseliny jablečné, kyseliny vinné, kyseliny močové Sertürner 1803 isolace morfinu z opia V průběhu 19. století vzniká specializovaný farmaceutický průmysl • Průmyslově se isoluje antimalarikum a antipyretikum Chinin z kůry chininovníku • První inhalační anestetika – chloroform, diethylether • 1874 – Kolbe a Schmidt – průmyslová syntéza kyseliny salicylové
3. ETAPA – „ léčiva vznikají cílenou obměnou struktury přírodní nebo syntetické látky o známém biologickém ůčinku“
ASPIRIN Vrba (Salix) Antika (Hippokratés, Plinius Starší) - léčebné účinky částí vrby Používání kůry, listů a mízy z vrby pro přípravu různých léků, především proti horečce a bolestem. Použivání po staletí pouze na základě prakt. zkušeností. 19. Století isolace salicinu a k. salicylové Felix Hoffmann - 1897 - nový postup výroby kyseliny acetylsalicylové, který mohl být využíván v průmyslovém měřítku a který vedl k získání čistého a stabilního produktu 1899 – fa Bayer, uvádí na trh “Aspirin” (zkratkové slovo z acetyl-spirsalic-acidin)
4. ETAPA – „ léčiva syntetizovaná na základě korelačních vztahů mezi strukturou a biologickou aktivitou“ QSAR – „Quantitative Structure-Activity Relationship“
Tento přístup se dodnes uplatňuje ve farmaceutickém výzkumu jako jedna z metod pro vyhledávání nových léčiv Racionalizace tohoto přístupu s rozvojem farmakokinetiky (transportních mechanismů) a farmakodynamiky (znalost struktury receptorů) „Tento bod je možné považovat za vznik farmakologie jako samostatného vědeckého oboru“
Znalost vztahů mezi strukturou chemických látek a jejich biologickou aktivitou teoreticky umožňuje predikovat biologickou aktivitu i u látek, které nebyly doposud syntetizovány a tak racionalizovat proces vyhledávání nových léčiv
Potenciální 5. etapa – kombinatoriální chemie Syntéza a základní screening biologické aktivity 100 – 10 000 látek
4. ETAPA – „ léčiva syntetizovaná na základě korelačních vztahů mezi strukturou a biologickou aktivitou“
Enzym
Nesteroidní antiflogistika
Enzym + Substrát
Nobel Prize in Physiology or Medicine
V rámci této etapy došlo k největším změnám v oblasti testování a hodnocení nových léčiv Thalidoimid – druhová specifita – spouštěcí mechanismus tohoto procesu Vliv i na farmaceutickou výrobu a kontrolu jakosti GMP – Good Manufacturing Practise GLP - Good Laboratory Practise Cílem je minimalizace rizika, že se na trhu objeví lék nevyhovující kvality v důsledku selhání lidského faktoru či jinou souhrou okolností
http://almaz.com/nobel/medicine/medicine.html
6
Emil Adolf von Behring Nobel Prize in Physiology and Medicine in 1901
1901 Nobelova cena za práce v oblasti serologie (objev séra proti záškrtu) Mladý Behring začal studovat účinky jodoformu, kterého se hojně používalo jako desinfekčního prostředku. Během své práce zjistil, že jodoform ničí jedovaté produkty bakterií způsobující hnisavá onemocnění, tzv. toxiny. Poté se začal věnovat studiu toxinů a antitoxinů a učinil důležitý objev. V séru očkovaných zvířat zjistil ochranné protilátky vytvořené proti choroboplodným zárodkům, kterými zvířata infikoval. Tím byl učiněn důležitý krok k vysvětlení podstaty imunity. Behring se následně věnoval získání protilátky k bacilu záškrtu a koncem roku 1890 se mu podařilo vypracovat metodu výroby léčivého séra z krve koní, kterým vstříkl do krve záškrtový toxin. Díky Behringovu séru přestal být záškrt smrtelnou hrozbou pro tisíce dětí, které by mu každoročně podlehly.
Sir Alexander Fleming Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1945 V roce 1922 dosáhl prvního významného úspěchu, když objevil lysozym, látku podmiňující odolnost organizmu proti mikrobům. V roce 1928 Fleming započal se studiem stafylokoků – mikrobů, kteří způsobují různá hnisavá onemocnění. Kultivoval na Petriho miskách bakteriální kultury a jednou se mu náhodou dostal do kultury ze vzduchu zárodek plísně. Fleming zjistil, že stafylokoky hynou tam, kde se plíseň rozrostla, a to ho upoutalo natolik, že naočkoval do kultur různé mikroby a studoval procesy, které v nich probíhaly. Koncem roku 1928 uveřejnil výsledky svých výzkumů a v jedné ze zpráv nazval filtrát z plísňového výtažku penicilínem, podle plísně Penicillium notatum, kterou přesně popsal. Flemingův objev penicilínu způsobil v medicíně obrovský převrat.
Macleod a Banting Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1923 Na počátku své vědecké dráhy Macleod zkoumal účinek stlačeného vzduchu na zvířatech, později se věnoval uhlovodíkům a chemii dýchání. Během svého působení ve Spojených státech a Kanadě se zabýval studiem glukózy, zkoumal primární a sekundární nervstvo, obsah cukru v krvi, extrakt pankreatu a problémy cukrovky. Světového uznání se Macleodovi dostalo společně s Bantingem za objev hormonu pankreatu, který byl nazván inzulín. O objev se zasloužil tím, že Bantingovi vytvořil co nejlepší podmínky pro výzkum na torontské univerzitě, ale také svou vlastní vědeckou prací, která se týkala hlavně konkrétního výzkumu extraktu z pankreatu, a prozkoumáním možností pro využití inzulínu při léčení cukrovky. Prvním pacientem, kterému Macleod společně s Bantingem injekcí inzulínu zachránili život, byl čtrnáctiletý chlapec, který by jinak bez pomoci zemřel. Od té doby zachránil inzulín milióny nemocných a stal se při léčení cukrovky naprosto nepostradatelným.
J. Robin Warren Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2005
Bakterie Helicobacter pylori (dříve Campylobacter) je známa řadu desetiletí, její klinický význam však vzrostl teprve v roce 1982, kdy Warren a Marshal popsali přímý vztah k epithelu žaludeční sliznice u nemocných s gastritidou nebo žaludečními vředy.
7
